„Portale grawitacyjne” mogą przekształcić ciemną materię w zwykłą materię

Astrofizycy mają pomysł, który mógłby pomóc rozwiązać dwie tajemnice: powód dziwnej obfitości promieniowania o bardzo wysokiej energii wystrzeliwanej z centrum naszej galaktyki oraz tożsamość niewidzialnej substancji zwanej ciemną materią, która wprawia świat w zakłopotanie od czasu jej odkrycia 50 lat temu.

Pomysł ma super fajną nazwę: portale grawitacyjne. Pomysł jest taki, że kiedy dwie cząstki ciemnej materii (czymkolwiek są) zostaną wessane do jednego z tych portali, niszczą się nawzajem i wypluwają szokująco silne promienie gamma.

Ten sposób myślenia może potencjalnie wyjaśnić, dlaczego centrum galaktyki – gdzie, jak przypuszcza się, czają się gęste gromady ciemnej materii – jest pełny promieni gamma; może rzucić światło na to, jak zachowuje się ciemna materia oraz może wyjaśnić czemu ciemna materia czasami wchodzić w interakcje z normalną materią naszego wszechświata.

Jaka musi być ciemna materia

Ponad 80% materii w naszym wszechświecie ma postać nieznaną w standardowym modelu fizyki cząstek elementarnych. Naukowcy nazywają ją „ciemną materią”, ponieważ nie oddziałuje ona ze światłem. Pierwsza wzmianka o istnieniu ciemnej materii pojawiła się w latach siedemdziesiątych XX wieku, kiedy astronom Vera Rubin zauważyła, że ​​galaktyki obracają się o wiele za szybko – bez dodatkowego, ukrytego źródła grawitacji powinna być rozerwana eony temu.

Przez dziesięciolecia astronomowie nie wiedzieli, czy muszą zmienić swoje rozumienie grawitacji, dodać do Wszechświata więcej zwykłej, ale naprawdę słabej materii, czy też dołączyć zupełnie nowy składnik. Ale rok po roku obserwacja za obserwacją ograniczała wybór. Żadna teoria zmodyfikowanej grawitacji nie może wyjaśnić wszystkich obserwacji. A fizycy nałożyli zdecydowane ograniczenia na ilość normalnej materii (jasnej, ciemnej i wszystkiego pomiędzy) w kosmosie.

To pozostawia ciemną materię, jako wyjaśnienie szybkości galaktyki. Ciemna materia byłaby nowym rodzajem cząstki, z jakąś nieznaną tożsamością (lub tożsamościami). Nie oddziałuje ze światłem, w przeciwnym razie już byśmy to widzieli. Nie oddziałuje z silną siłą jądrową – która wiąże cząsteczki materii – w przeciwnym razie naukowcy wykryliby jej wpływ w eksperymentach atomowych. Może oddziaływać z słabymi siłami jądrowymi, ale siła ta jest tak słaba i krótkiego zasięgu, że obserwowanie jakichkolwiek odchyleń w oczekiwanych wynikach jest wyzwaniem.

Tryliony cząstek ciemnej materii mogą teraz przepływać przez ciebie, niewidzialne i ciche.

Jednak ciemna materia zdradza swoją obecność poprzez grawitację, ponieważ każda pojedyncza forma masy i energii we wszechświecie wywiera jakiś wpływ grawitacyjny. Zatem jedynym pewnym sposobem badania ciemnej materii są jej oddziaływania grawitacyjne z normalną materią, takie jak ruchy gwiazd wewnątrz galaktyk.

Ale może być inny sposób.

Przypadek nadmiaru elektronów

W badaniu opublikowanym 28 stycznia w bazie danych preprint arXiv fizycy zaproponowali nową teorię wyjaśniającą, czym jest ciemna materia i jak się zachowuje. Ale zanim zagłębimy się w ich pomysł, musimy wprowadzić jeszcze jedną wskazówkę do tego polowania na ciemną materię. Wskazówka jest w postaci dziwnej obfitości promieni gamma obserwowanych i emanujących z centrum naszej galaktyki Drogi Mlecznej.

Promienie gamma to możliwie najwyższa energia z możliwych form promieniowania i zwykle powstają tylko w wyniku pewnych bardzo wysokoenergetycznych wydarzeń, takich jak gwiazdy przechodzące w supernową. Ale promieni gamma jest więcej, niż można by się spodziewać w centrum galaktyki, biorąc pod uwagę, jak rzadkie są takie katastrofalne wydarzenia. Jest więc możliwe – i to proponuje nowa teoria – że promienie gamma mogą pojawiać się jako produkt uboczny wysokoenergetycznych elektronów.

Te wysokoenergetyczne elektrony, które są rodzajem cząstek zwanych „leptonami” i są znacznie łatwiejsze do wytworzenia niż bezpośrednio promieniowanie gamma, emanują z jakiegoś źródła i podróżują po centrum galaktyki. Same elektrony są niewykrywalne (są bardzo, bardzo małe), ale gdy przepływają przez przestrzeń międzygwiazdową, mogą czasami uderzać w przypadkowo przelatujący foton (cząstkę światła).

Ten foton, najprawdopodobniej coś nieszkodliwego i niskoenergetycznego, zderza się z agresywnym elektronem; zderzenie zwiększa energię fotonu do tego stopnia, że ​​zaczyna on wydzielać promienie gamma, które widzimy.

Zderzenia te potencjalnie wyjaśniają nadmiar promieniowania gamma, ale skąd pochodzą te wysokoenergetyczne elektrony?

Skacząc przez portal

Podsumujmy to, co wiemy. Ciemna materia oddziałuje tylko poprzez grawitację, wysokoenergetyczne leptony unoszące się wokół centrum galaktyki mogłyby wyjaśnić dodatkowe promienie gamma, które tam widzimy, w naszej galaktyce rdzeń ma największą gęstość materii, uważamy, że jest tam również duże skupienie ciemnej materii.

Zbieg okoliczności? Albo spisek?

Związek między tymi dwoma obserwacjami ma odpowiednio niesamowitą nazwę: leptofilne portale grawitacyjne [leptophilic gravity portals], zostało szczegółowo opisane przez Sun Xu-Dong i Dai Ben-Zhong z China Key Laboratory of Astroparticle Physics, w ich artykule w arXiv (badanie nie zostało jeszcze zrecenzowane).

Zacznijmy od części „portale grawitacyjne”. O ile rozumiemy, grawitacja po prostu pociąga za sobą. Ziemia wciąga księżyc; słońce wciąga na Ziemię; gwiazdy w galaktyce przyciągają się i tak dalej.

A więc pozornie jedyną rzeczą, jaką grawitacja może zrobić z ciemną materią, jest… przyciąganie.

Ale nasze zrozumienie grawitacji jest niepełne. Fizyka może wyjaśnić, że grawitacja działa na dużą skalę, ale nie ma tak zwanej kwantowej teorii grawitacji, która opisywałaby silną grawitację działającą w bardzo małych skalach – grawitacja może mieć w zanadrzu pewne niespodzianki.

Inne siły natury są w stanie przez cały czas anihilować, przekształcać i tworzyć cząsteczki. Na przykład słaba siła jądrowa może zmienić proton w neutron, wywołując rozpad radioaktywny. Cząstka i jej antycząstka mogą łączyć się za pomocą siły elektromagnetycznej, unicestwiając się nawzajem w wybuchu promieniowania.

Więc może w skrajnych przypadkach grawitacja może połączyć ze sobą dwie cząstki ciemnej materii i zniszczyć je, zamieniając je w… właściwie cokolwiek.

I zgodnie z modelem teoretycznym nakreślonym przez naukowców, być może te cząstki ciemnej materii mogą przekształcić się w leptony. Stąd „leptofilna” część nazwy, która oznacza „kochający lepton”.

Zgodnie z nową teorią, cząstki ciemnej materii mogą czasami unicestwić się nawzajem jedynie poprzez przypadkowe oddziaływania grawitacyjne. Te przypadkowe interakcje są znane w żargonie fizyki jako „portale grawitacyjne”, ponieważ umożliwiają one cząstkom oddziaływanie wyłącznie poprzez grawitację. Produktem tego zderzenia jest wysokoenergetyczny elektron. Te interakcje byłyby znacznie częstsze w centrum galaktyki, gdzie gęstość ciemnej materii jest prawdopodobnie najwyższa. Elektrony te podróżowałyby dalej, ostatecznie uderzając w niskoenergetyczny foton i zamieniając się w promień gamma, powodując obserwowany przez nas nadmiar.

Tak, ten pomysł jest naciągany. Ale biorąc pod uwagę, że fizycy “są w ciemności”, jeśli chodzi o tożsamość ciemnej materii, nowe pomysły są zawsze mile widziane. Ta teoria została specjalnie zaprojektowana, aby dopasować się do obserwacji promieni gamma. Ale kiedy te “drzwi zostały otwarte”, umożliwiające cząsteczkom ciemnej materii przekształcenie się w zwykłą materię (w tym przypadku leptony), można wykonać bardziej teoretyczną pracę, aby sprawdzić, czy istnieją inne sposoby przetestowania teorii.

Źródła: Paul Sutter

Dark matter annihilation into leptons through gravity portals

Zdjęcia: Shutterstock

Tematy:
Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x